DE102019215470A1

DE102019215470A1 - PTC-Heizelement und ein PTC-Heizmodul

Info

Publication number: DE102019215470A1
Application number: DE102019215470.0A
Authority: DE
Inventors: Marcel Hülss; Isabel Munoz; Falk Viehrig; Robin Wanke
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2019-10-09
Filing date: 2019-10-09
Publication date: 2021-04-15
Also published as: CN112637975B; CN112637975A; US20210144810A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein PTC-Heizelement (1) für ein PTC-Heizmodul für ein Fahrzeug. Das PTC-Heizelement (1) weist einen PTC-Thermistor (2) mit zwei Hauptflächen (3a, 3b) auf, die in eine Dickenrichtung (DR) des PTC-Thermistors (2) einander gegenüberliegend und zueinander beabstandet sind. Das PTC-Heizelement (1) weist zudem zwei elektrisch leitende Kontaktschichten (4a, 4b) auf, die jeweils auf die Hauptflächen (3a, 3b) des PTC-Thermistors (2) aufgetragen sind.
Erfindungsgemäß liegt ein Gesamtquotient (Q) zwischen einer gesamten geometrischen Fläche (F₄) der Kontaktschichten (4a, 4b) und einer gesamten geometrischen Fläche (F₃) der Hauptflächen (3a, 3b) wesentlich unter 1 und wesentlich oberhalb 0.
Die Erfindung betrifft auch ein PTC-Heizmodul für ein Fahrzeug mit wenigstens einem solchen PTC-Heizelement (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein PTC-Heizelement für ein PTC-Heizmodul für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch ein PTC-Heizmodul für ein Fahrzeug mit wenigstens einem solchen PTC-Heizelement.
PTC-Heizmodule (PTC: Positive Temperature Coefficient) werden zum Aufheizen eines Fluids eingesetzt und können insbesondere in einem batterieelektrischen Fahrzeug zum Aufheizen von Innenraumluft eingesetzt werden. Das PTC-Heizmodul umfasst üblicherweise mehrere PTC-Heizelemente, die parallel zueinander elektrisch verschaltet sind. Das einzelne PTC-Heizelement ist dabei aus einem PTC-Thermistor bzw. einem sogenannten PTC-Stein und aus an diesem aufgetragenen elektrisch leitenden Kontaktschichten gebildet. Über die Kontaktschichten wird in den PTC-Thermistor elektrische Spannung eingeleitet und in dem PTC-Thermistor wird dadurch Wärme entwickelt. Diese kann dann an die Innenraumluft abgeben werden.
Dabei wird angestrebt, neue Generationen der PTC-Heizmodule nicht mehr nur im 12V-48V-Boardnetzen, sondern auch direkt im Hochvolt-Bordnetz vom batterieelektrischen Fahrzeug auf dem Spannungsniveau der Traktionsbatterie von 400V oder 800V zu betreiben. Beim Betreiben des PTC-Thermistors im Hochvolt-Bordnetz kommt es zur Selbsterwärmung und anfänglich zu einer Reduzierung seines elektrischen Widerstandes bis zu einem Minimum. Der PTC-Thermistor weist in diesem Bereich ein sogenanntes NTC-Verhalten (NTC: Negative Temperature Coefficient). Bei höheren Temperaturen kommt es zur charakteristischen Widerstandserhöhung in dem PTC-Thermistor und dadurch zur gewünschten sprunghaften Abregelung. Der PTC-Thermistor wird nun in einem sogenannten PTC-Bereich betrieben.
Der Übergang zwischen dem NTC-Bereich und dem PTC-Bereich der PTC-Thermistoren ist der sogenannte Umschlagpunkt, der das PTC-Heizmodul bei jeder Zuschaltung durchlaufen muss. Der im Umschlagpunkt entstehende Maximalstrom muss bei Auslegung aller Komponenten des Hochvolt-Bordnetz - wie beispielweise Leiterbahnen, Leiterplatten bzw. PCBs (PCB: Printed Circuit Board), Bipolartransistoren mit isolierten Gate-Elektroden bzw. IGBTs (IGBT: insulated-gate bipolar transistor), Stecker usw. - berücksichtigt werden. Der Maximalstrom ist dabei von der Geometrie und von dem spezifischen elektrischen Widerstand der PTC-Thermistoren abhängig.
Das PTC-Heizmodul ist üblicherweise zum Betrieb in einem vorgegebenen Spannungsbereich vorgesehen und entsprechend ist auch der Widerstand der PTC-Thermistoren auf diesen Spannungsbereich ausgelegt. Je breiter der Spannungsbereich ist, desto schwieriger ist es jedoch, den Widerstand der PTC-Thermistoren optimal auszulegen. Zusätzlich wirkt das PTC-Heizelement durch seinen Aufbau als Kondensator. Dadurch verursacht das PTC-Heizmodul bei der Leistungsregelung mittels der Pulsweitenmodulation kapazitätsbedingte Strom- und dadurch auch Spannungsspitzen. Diese können das Hochvolt-Bordnetz des batterieelektrischen Fahrzeugs massiv belasten.
Die Gesamtsumme der durch das PTC-Heizmodul bzw. die PTC-Heizelemente verursachten Belastungen des Hochvolt-Bordnetzes gefährdet den ungestörten Betrieb des batterieelektrischen Fahrzeugs.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, für ein PTC-Heizelement der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die beschriebenen Nachteile überwunden werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechend verbessertes PTC-Heizmodul mit wenigstens einem solchen PTC-Heizelement bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die maximale elektrische Stromdichte beim Aufheizen eines PTC-Heizelements und dadurch eines PTC-Heizmoduls auf ein notwendiges Minimum zu reduzieren und auf diese Weise die Belastung des Bordnetzes des Fahrzeugs zu minimieren.
Ein PTC-Heizelement ist für ein PTC-Heizmodul für ein Fahrzeug vorgesehen. Insbesondere kann das Fahrzeug ein batterieelektrisches Fahrzeug sein. Das PTC-Heizelement weist einen PTC-Thermistor mit zwei Hauptflächen auf, die in eine Dickenrichtung des PTC-Thermistors einander gegenüberliegend und zueinander beabstandet sind. Üblicherweise sind die Hauptflächen des PTC-Thermistors parallel einander ausgerichtet. Üblicherweise ist der PTC-Thermistor quaderförmig. Eine Dicke des PTC-Thermistors ist in Dickenrichtung durch einen Abstand der beiden Hauptflächen zueinander definiert. Das PTC-Heizelement weist zudem zwei elektrisch leitende Kontaktschichten auf, die jeweils auf die Hauptflächen des PTC-Thermistors aufgetragen sind. Der PTC-Thermistor ist somit in Dickenrichtung zwischen den beiden Kontaktschichten angeordnet und mit diesen elektrisch leitend verbunden. Das PTC-Heizelement ist zum Aufheizen eines Fluids - und insbesondere Luft - vorgesehen. Der PTC-Thermistor kann aus einer PTC-Keramik geformt sein. Die elektrisch leitenden Kontaktschichten sind elektrisch leitend mit dem PTC-Thermistor verbunden, so dass der PTC-Thermistor über die Kontaktschichten in einen elektrischen Versorgungskreis eingebunden und mit Spannung versorgt werden kann. Bei der angelegten Spannung kann sich der PTC-Thermistor erhitzen und entwickelte Wärme an den Wärmeübertrager zum Fluid - also Flüssigkeit oder Luft - abgeben. Erfindungsgemäß liegt ein Gesamtquotient zwischen einer gesamten geometrischen Fläche der Kontaktschichten und einer gesamten geometrischen Fläche der Hauptflächen wesentlich unter 1 und wesentlich oberhalb 0.
Der Begriff „Gesamtquotient“ ist dabei gleichwertig zu den Begriffen „Quotient“ und „Verhältnis“. Der Begriff „wesentlich“ bedeutet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, dass die gesamte geometrische Fläche der Kontaktschichten und die gesamte geometrische Fläche der Hauptflächen um höchstens 85% und um wenigstens 5% voneinander abweichen. Der Gesamtquotient liegt somit zwischen 0,05 und 0,85. Die Hauptflächen sind dann insgesamt bei dem Gesamtquotienten gleich 0,85 zu 85% und bei dem Gesamtquotienten gleich 0,05 zu 5% mit den Kontaktschichten bedeckt. Die jeweilige Kontaktschicht ist dabei vorzugsweise zusammenhängend und weist die Form einer flachen geometrischen Figur auf, die sowohl konvex als auch konkav sein kann. Vorzugsweise weist die jeweilige Kontaktschicht die Form eines konvexen oder konkaven Vielecks auf. Vorzugsweise ist die jeweilige Kontaktschicht auf der jeweiligen Hauptfläche gleichmäßig verteilt, so dass in dem PTC-Thermistor oder zumindest in innenliegenden Bereichen des PTC-Thermistors gleichmäßige Bedienungen herrschen.
Dadurch, dass die Hauptflächen des PTC-Thermistors mit den Kontaktschichten nicht vollständig bedeckt sind, ist die Kapazität des PTC-Heizelements im Vergleich zu einem herkömmlichen PTC-Heizelement mit einem identischen PTC-Thermistor mit vollständig bedeckten Hauptflächen reduziert. Dadurch können kapazitätsbedingte Strom- und dadurch auch Spannungsspitzen im Vergleich zu einem herkömmlichen PTC-Heizelement reduziert werden. Der Gesamtquotient ist dabei innerhalb des angegeben Werteberichs so zu wählen, dass der gewünschte Effekt in der gewünschten Stärke auftritt.
Bedingt durch den Aufbau des PTC-Thermistors sind die beiden Hauptflächen des PTC-Thermistors gleich groß und weisen die gleiche geometrische Fläche auf. Der Gesamtquotient kann dabei durch die geometrischen Flächen der jeweiligen Kontaktschichten bestimmt und angepasst sein. Zwei erfindungsgemäße PTC-Heizelemente können dann identische PTC-Thermistore aufweisen, sich jedoch durch den gewählten Gesamtquotienten unterscheiden. Wird der Gesamtquotient in dem angegebenen Werteberich reduziert oder erhöht, so sind die Hauptflächen des PTC-Thermistors unterschiedlich stark mit den Kontaktschichten bedeckt. Dadurch kann die Kapazität des PTC-Heizelements angepasst und kapazitätsbedingte Strom- und dadurch auch Spannungsspitzen reduziert werden.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der Gesamtquotient zwischen 0,1 und 0,8, bevorzugt zwischen 0,2 und 0,7, mehr bevorzugt zwischen 0,2 und 0,5 und noch mehr bevorzugt 0,3 und 0,5 liegt. In dem Wertebereich des Gesamtquotienten zwischen 0,1 und 0,8 kann die Kapazität des PTC-Heizelements und dadurch die kapazitätsbedingte Strom- und dadurch auch Spannungsspitzen merkbar reduziert werden. Dieser Effekt ist in dem Wertebereich des Gesamtquotienten zwischen 0,2 und 0,7 besonders merkbar. In dem Wertebereich des Gesamtquotienten zwischen 0,2 und 0,5 kann die Dicke des PTC-Heizelementes reduziert werden, ohne dass die Nutzungsbedingungen sich merkbar ändern. In dem Wertebereich des Gesamtquotienten zwischen 0,3 und 0,5 kann ferner die Heizleistung merkbar verbessert werden. Somit können abhängig von dem gewählten Wertebereich des Gesamtquotienten einzelne oder mehrere Eigenschaften des PTC-Heizelements angepasst werden.
Vorteilhafterweise können Quotienten zwischen den geometrischen Flächen der jeweiligen Kontaktschichten und den jeweiligen diesen zugeordneten Hauptflächen sich bei den beiden elektrisch leitenden Kontaktschichten voneinander unterscheiden. Mit anderen Worten können die beiden Hauptflächen unterschiedlich stark mit der jeweiligen Kontaktschicht bedeckt sein. Der Gesamtquotient zwischen der gesamten geometrischen Fläche der Kontaktschichten und der gesamten geometrischen Fläche der Hauptflächen kann jedoch unverändert bleiben. Dadurch kann eine weitere Optimierung der Eigenschaften des PTC-Heizelements erfolgen. Sind die Hauptflächen des PTC-Thermistors gleich groß, so ist der Gesamtquotient zweimal kleiner als die Summe der beiden oben genannten Quotienten.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des PTC-Heizelements ist vorgesehen, dass ein Abstand der beiden Kontaktschichten zueinander zumindest in einigen innenliegenden Bereichen des PTC-Thermistors größer als die Dicke des PTC-Thermistors ist. Mit anderen Worten ist der Abstand der beiden Kontaktschichten zueinander größer ein Abstand der Hauptflächen des PTC-Thermistors zueinander. Die beiden Kontaktschichten können sich in Dickenrichtung des PTC-Thermistors zumindest in einigen innenliegenden Bereichen des PTC-Thermistors nicht überlappen. Mit anderen Worten können die Kontaktschichten in innenliegenden Bereichen des PTC-Thermistors quer zur Dickenrichtung zueinander versetzt aufgetragen sein. Überlappen die beiden Kontaktschichten in Dickenrichtung des PTC-Thermistors nicht, so ist der Abstand zwischen diesen nicht mehr parallel zur Dickenrichtung zu bestimmen und dadurch größer als die Dicke des PTC-Thermistors.
Der Abstand ist dabei stets durch die kürzeste Entfernung der beiden Kontaktschichten zueinander bestimmt. Die innenliegenden Bereiche des PTC-Thermistors sind dabei Bereiche, die zu seinen Seitenflächen beabstandet und dadurch mittig in dem PTC-Thermistor angeordnet sind. Die Seitenflächen erstrecken sich dabei randseitig von der einen Hauptfläche zu der anderen Hauptfläche und grenzen mit diesen zusammen den PTC-Thermistor nach außen ab. Ist der PTC-Thermistor quaderförmig, so weist der PTC-Thermistor insgesamt vier Seitenflächen, die senkrecht zu den Hauptflächen und paarweise senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Die innenliegenden Bereiche sind zudem von den Randbereichen zu unterscheiden, in denen Eigenschaften des PTC-Thermistors durch an den Seitenflächen entstehende Randeffekte beeinflusst sind.
Weicht der Abstand der Kontaktschichten von der Dicke des PTC-Thermistors ab, so ist der effektive Stromweg für Elektronen erhöht und die Kapazität des PTC-Heizelements verringert. Die kapazitätsbedingte Strom- und dadurch auch Spannungsspitzen können demnach reduziert werden. Dieser Effekt kann insbesondere in dem Wertebereich des Gesamtquotienten zwischen 0,2 und 0,5 erzielt werden, da dann der Abstand zwischen den Kontaktschichten in allen innenliegenden Bereichen des PTC-Thermistors erhöht werden kann. Entsprechend kann die Dicke des PTC-Thermistors reduziert werden, ohne dass seine Nutzungseigenschaften sich merkbar ändern.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des PTC-Heizelements ist vorgesehen, dass die jeweilige Kontaktschicht eine Kammstruktur aufweist. Die Kammstruktur weist dann mehrere voneinander beabstandete und parallel zueinander angeordnete Kontaktstreifen auf, die einseitig oder beidseitig zusammenhängen. Die Kontaktschicht bleibt folglich zusammenhängend, deckt jedoch die Hauptfläche des PTC-Thermistors nicht vollständig ab. Die Kammstruktur ermöglicht eine gleichverteilte Kontaktierung der Hauptfläche des PTC-Thermistors, wodurch die Heizleistung des PTC-Heizelements verbessert werden kann. Dieser Effekt ist insbesondere in dem Wertebereich des Gesamtquotienten zwischen 0,3 und 0,5 merkbar. Die Kammstruktur kann dabei abhängig von den gewünschten Eigenschaften des PTC-Heizelements bzw. abhängig von dem gewünschten Gesamtquotienten angepasst sein. Denkbar ist beispielweise, dass die Kontaktstreifen der jeweiligen Kammstruktur in einem ungleichen Abstand zueinander angeordnet sind. Denkbar ist auch, dass die Kontaktstreifen der jeweiligen Kammstruktur eine voneinander abweichende Breite und/oder Länge aufweisen. Zudem ist denkbar, dass eine Breite des jeweiligen Kontaktstreifens kleiner oder auch größer als sein Abstand zu wenigstens einem der benachbarten Kontaktstreifen ist.
Vorteilhafterweise kann zusätzlich vorgesehen sein, dass die beiden Kontaktschichten jeweils die Kammstruktur aufweisen. Die jeweiligen Kammstrukturen sind dann derart auf den Hauptflächen des PTC-Thermistors aufgetragen, dass die jeweiligen Kontaktstreifen der beiden Kammstrukturen zueinander parallel sind. Dabei liegen zumindest einigen Kontaktstreifen der einen Kammstruktur keine Kontaktstreifen der anderen Kammstruktur gegenüber. Mit anderen Worten überlappen sich die Kammstrukturen in Dickenrichtung zumindest bereichsweise nicht. Dadurch ist, wie oben bereits erläutert, kann der Abstand zwischen den Kontaktschichten größer als die Dicke des PTC-Thermistors sein. Entsprechend können die oben beschriebenen Vorteile erreicht werden.
Alternativ zu der Kammstruktur kann die jeweilige Kontaktschicht eine Schneckenstruktur aufweisen. Die Schneckenstruktur weist dann mehrere Windungen auf, die von der Mitte der Hauptfläche ausgehen und diese bis zu Seitenflächen hin abdecken. Auch hier können beide Kontaktschichten die Schneckenstruktur aufweisen. Die beiden Schneckenstrukturen sind dann so auf den Hauptflächen des PTC-Thermistors aufgetragen, dass die jeweiligen Windungen der beiden Schneckenstrukturen sich in Dickenrichtung nicht überlappen. Dadurch kann auf gleiche Weise der Abstand zwischen den beiden Kontaktschichten zumindest in einigen innenliegenden Bereichen des PTC-Thermistors höher als die Dicke des PTC-Thermistors sein. Dadurch können die oben beschriebenen Vorteile auf gleiche Weise erreicht werden.
Denkbar ist auch, dass die Kontaktschichten einzeln oder paarweise auch von der Kammstruktur und von der Schneckenstruktur abweichende Strukturen aufweisen. Wie oben bereits erläutert, weist die jeweilige Kontaktschicht die Form einer flachen geometrischen Figur auf, die sowohl konvex als auch konkav sein kann. Vorzugsweise weist die jeweilige Kontaktschicht die Form eines konvexen oder konkaven Vielecks auf.
Die Erfindung betrifft auch ein PTC-Heizmodul für ein Fahrzeug mit wenigstens einem oben beschriebenen PTC-Heizelement. Insbesondere kann das Fahrzeug ein batterieelektrisches Fahrzeug sein. Dabei sind die eine Kontaktschicht des jeweiligen PTC-Heizelements mit einem Pluspol-Kontakt und die andere Kontaktschicht des jeweiligen PTC-Heizelements mit einem Minuspol-Kontakt elektrisch leitend verbunden. Das PTC-Heizmodul kann insbesondere mehrere PTC-Heizelemente aufweisen, die parallel zueinander elektrisch verschaltet sind.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Figurenliste

1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen PTC-Heizelements;
2 eine Schnittansicht des in 1 gezeigten PTC-Heizelements durch eine in 1 gezeigte Schnittebene A-A;
3 und 4 Draufsichten auf Hauptflächen des in 1 gezeigten PTC-Heizelements;
5 eine Draufsicht auf eine Hauptfläche des PTC-Heizelements in einer weiteren Ausführungsform;
6 eine Schnittansicht des in 5 gezeigten PTC-Heizelements durch eine in 5 gezeigte Schnittebene B-B;
7 eine Draufsicht auf eine Hauptfläche des PTC-Heizelements in einer weiteren Ausführungsform;
8 eine Schnittansicht des in 7 gezeigten PTC-Heizelements durch eine in 7 gezeigte Schnittebene C-C;
9 eine Draufsicht auf eine Hauptfläche des PTC-Heizelements in einer weiteren Ausführungsform;
10 eine Schnittansicht des in 9 gezeigten PTC-Heizelements durch eine in 9 gezeigte Schnittebene D-D;
11 eine Ansicht der Anordnung beider Kontaktschichten des PTC-Heizelements in einer weiteren Ausführungsform;
12 eine Schnittansicht des in 11 gezeigten PTC-Heizelements durch eine in 12 gezeigte Schnittebene E-E.

1 zeigt eine Ansicht eines erfindungsgemäßen PTC-Heizelements 1 für ein PTC-Heizmodul für ein Fahrzeug. Das PTC-Heizelement 1 weist einen PTC-Thermistor 2 auf, der beispielweise aus einer PTC-Keramik gefertigt ist. Der PTC-Thermistor 2 ist hier quaderförmig und weist zwei Hauptflächen 3a und 3b auf, die in eine Dickenrichtung DR einander gegenüberliegend und zueinander beabstandet sind. Ein Abstand der beiden Hauptflächen 3a und 3b zueinander definiert eine Dicke D_PTC des PTC-Thermistors 2. Ferner weist der PTC-Thermistor 2 vier Seitenflächen 5 auf, die zu seinen beiden Hauptflächen 3a und 3b und paarweise zueinander senkrecht sind. Die Seitenflächen 5 verbinden die Hauptflächen 3a und 3b randseitig miteinander und grenzen zusammen mit diesen den PTC-Thermistor 2 nach außen ab. 2 zeigt nun eine Schnittansicht des in 1 gezeigten PTC-Heizelements 2 durch die Schnittebene A-A. 3 und 4 zeigen Draufsichten auf die Hauptflächen 3a und 3b des in 1 gezeigten PTC-Heizelements 1.
Das PTC-Heizelement 1 weist ferner zwei elektrisch leitende Kontaktschichten 4a und 4b auf, die auf den jeweiligen Hauptflächen 3a und 3b des PTC-Thermistors 1 aufgetragen sind. Die jeweilige Kontaktschicht 4a bzw. 4b ist zusammenhängend, deckt jedoch die jeweilige Hauptfläche 3a bzw. 3b des PTC-Thermistors 2 nicht vollständig ab. Die jeweilige Kontaktschicht 4a bzw. 4b weist dabei eine geometrische Fläche F_4A bzw. F_4B auf und die jeweilige Hauptfläche 3a bzw. 3b weist eine geometrische Fläche F_3A bzw. F_3B auf. Ein Quotient Q_A bzw. Q_B der jeweiligen geometrischen Fläche F_4A bzw. F_4B und der jeweiligen geometrischen Fläche F_3A bzw. F_3B liegt dabei unter 1 und oberhalb 0. Es gilt also: $Q_{A} = F_{4A} {/F}_{3A} und 0 < Q_{A} < 1;$
$Q_{B} = F_{4B} {/F}_{3B} und 0 < Q_{B} < 1.$
Eine gesamte geometrische Fläche F₄ der Kontaktschichten 4a und 4b ist dann die Summe der beiden Flächen F_4A und F_4B. Eine gesamte geometrische Fläche F₃ der Hauptflächen 3a und 3b ist dann die Summe der geometrischen Flächen F_3A und F_3B. Ein Gesamtquotient Q zwischen den gesamten geometrischen Flächen F₄ und F₃ liegt dabei wesentlich unter 1 und wesentlich oberhalb 0. Es gilt also: $Q = F_{4} {/F}_{3} = (F_{4A} + F_{4 B}) / (F_{3A} + F_{3B}) und 0 < Q < 1.$
Über die Kontaktschichten 4a und 4b kann das PTC-Heizelement 1 in einen elektrischen Versorgungskreis eingebunden und mit Spannung versorgt werden. Entsprechend werden die Kontaktschichten 4a und 4b dann jeweils einem Pluspol und einem Minuspol zugeteilt. Der PTC-Thermistor 2 ist in Dickenrichtung DR zwischen den beiden elektrisch leitenden Kontaktschichten 4a und 4b angeordnet, so dass das PTC-Heizelement 1 in dem Versorgungskreis einen Kondensator bildet.
Die beiden Kontaktschichten 4a und 4b - siehe insbesondere 3 und 4 - weisen jeweils eine Kammstruktur 6a und 6b auf. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Kammstrukturen 6a und 6b so ausgelegt, dass der jeweilige Quotient Q_A bzw. Q_B gleich 0,5 ist. Entsprechend ist auch der Gesamtquotient Q gleich 0,5.
Denkbar ist jedoch, dass die beiden Quotienten Q_A und Q_B voneinander und/oder von 0,5 abweichen. Denkbar ist auch, dass der Gesamtquotient Q von 0,5 abweicht. Die jeweilige Kammstruktur 6a bzw. 6b weist jeweils mehrere Kontaktstreifen 7a bzw. 7b auf, die jeweils einseitig zusammenhängen. Die Kontaktstreifen 7a bzw. 7b sind einander parallel und zueinander beabstandet angeordnet. Die beiden Kontaktschichten 4a und 4b bzw. die beiden Kammstrukturen 6a und 6b sind derart auf den Hauptflächen 3a und 3b aufgetragen, dass die Kontaktstreifen 7a und die Kontaktstreifen 7b - siehe insbesondere 2 - parallel zueinander ausgerichtet ist. Ferner überlappen die Kontaktstreifen 7a und die Kontaktstreifen 7b in Dickenrichtung DR nicht. Dazu sind die beiden Kammstrukturen 6a und 6b um 180° um eine Mittelachse MA des PTC-Thermistors 1 verdreht zueinander angeordnet. Die Mittelachse MA ist dabei parallel zur Dickenrichtung DR ausgerichtet und geht durch die Mitte des jeweiligen PTC-Thermistors 2 durch.
Bei dem hier gezeigten PTC-Heizelement 1 ist die geometrische Fläche F_4A bzw. F_4B der Kontaktschichten 4a und 4b im Vergleich zu einem herkömmlichen PTC-Heizelement mit einem identischen PTC-Thermistor reduziert, wodurch auch die Kapazität des PTC-Heizelements 1 reduziert ist. Vorteilhafterweise können dadurch kapazitätsbedingte Strom- und dadurch auch Spannungsspitzen in dem PTC-Heizelement 1 im Vergleich zu einem herkömmlichen PTC-Heizelement reduziert werden. Dieser Effekt ist bereits in einem Wertebereich des Gesamtquotienten Q zwischen 0,1 und 0,8 und insbesondere stark in einem Wertebereich des Gesamtquotienten Q zwischen 0,2 und 0,7 merkbar. Der Gesamtquotient Q gleich 0,5 ist hier lediglich beispielhaft gewählt. Die Kontaktschichten 4a und 4b sind zudem gleichmäßig auf den jeweiligen Hauptflächen 3a und 3b verteilt, wodurch die Heizleistung des PTC-Heizelements 1 merkbar verbessert ist. Dieser Effekt ist insbesondere in einem Wertebereich des Gesamtquotienten Q zwischen 0,3 und 0,5 merkbar. Der Gesamtquotient Q gleich 0,5 ist hier lediglich beispielhaft gewählt.
5 zeigt eine Draufsicht auf die Hauptfläche 3a bzw. 3b des PTC-Heizelements 1 in einer weiteren Ausführungsform. In 6 ist eine Schnittansicht dieses PTC-Heizelements 1 durch eine in 5 gezeigte Schnittebene B-B gezeigt. Hier hängen die Kontaktstreifen 7a bzw. 7b der Kammstruktur 6a bzw. 6b abweichend zu 1 bis 4 beidseitig zusammen. Die Kammstrukturen 6a und 6b sind jeweils zu zwei benachbarten Seitenflächen 5 benachbart aufgetragen. Die Kammstrukturen 6a und 6b sind identisch und um 180° um die Mittelachse MA des PTC-Thermistors 2 verdreht zueinander - siehe insbesondere 6 - angeordnet. Dadurch überlappen sich die Kontaktstreifen 7a und 7b bzw. die Kontaktschichten 4a und 4b in Dickenrichtung DR in innenliegenden Bereichen 8 des PTC-Thermistors 2 nicht.
7 zeigt eine Draufsicht auf die Hauptfläche 3a bzw. 3b des PTC-Heizelements 1 in einer weiteren Ausführungsform. 8 zeigt eine Schnittansicht PTC-Heizelements 1 durch eine in 7 gezeigte Schnittebene C-C. Hier ist die jeweilige Kammstruktur 6a bzw. 6b identisch zu der jeweiligen Kammstruktur 6a bzw. 6b aus 5 und 6, ist jedoch auf der Hauptfläche 3a bzw. 3b abweichend angeordnet. Hier sind die Kammstrukturen 6a und 6b jeweils zu einer der Seitenflächen 5 benachbart aufgetragen. Die beiden Kammstrukturen 6a und 6b sind dabei um 180° um die Mittelachse MA des PTC-Thermistors 2 verdreht zueinander angeordnet. Dadurch überlappen sich die Kontaktstreifen 7a und 7b bzw. die Kontaktschichten 4a und 4b in Dickenrichtung DR in innenliegenden Bereichen 8 des PTC-Thermistors 2 nicht.
9 zeigt eine Draufsicht auf die Hauptfläche 3a bzw. 3b des PTC-Heizelements 1 in einer weiteren Ausführungsform. 10 zeigt eine Schnittansicht dieses PTC-Heizelements 1 durch eine in 9 gezeigte Schnittebene D-D. Hier sind die beiden Kammstrukturen 6a und 6b identisch zueinander, wobei einer der Kontaktstreifen 7a bzw. 7b eine höhere Breite als andere Kontaktstreifen 7a bzw. 7b aufweist. Hier sind die Kammstrukturen 6a und 6b jeweils mittig aufgetragen. Die beiden Kammstrukturen 6a und 6b sind dabei um 180° um die Mittelachse MA des PTC-Thermistors 2 verdreht zueinander angeordnet. Dadurch überlappen sich die Kontaktstreifen 7a und 7b bzw. die Kontaktschichten 4a und 4b in Dickenrichtung DR in innenliegenden Bereichen 8 des PTC-Thermistors 2 nicht.
Die Quotienten Q_A und Q_B betragen bei den PTC-Heizelementen 1 in 5 bis 10 jeweils 0,5. Der Gesamtquotient Q beträgt auch 0,5. Bei den hier gezeigten PTC-Heizelementen 1 werden dieselben Vorteile wie bei dem PTC-Heizelement 1 aus 1 bis 4 erzielt.
11 zeigt eine Ansicht des PTC-Heizelements 1 in einer weiteren Ausführungsform. In 11 ist der PTC-Thermistor 2 durchsichtig dargestellt, so dass die beiden Kontaktschichten 4a und 4b sichtbar sind. 12 zeigt eine Schnittansicht dieses PTC-Heizelements 1 durch eine in 12 gezeigte Schnittebene E-E. In dieser Ausführungsform weist die jeweilige Kontaktschicht 4a bzw. 4b jeweils die Kammstruktur 6a bzw. 6b auf, die der jeweiligen Kammstruktur 6a bzw. 6b in 1 bis 4 ähnelt. Die Quotienten Q_A und Q_B sowie der Gesamtquotient Q sind hier jedoch jeweils gleich 0,3. Die beiden Kammstrukturen 6a und 6b sind hier derart angeordnet, dass die jeweiligen Kontaktstreifen 7a und 7b in Dickenrichtung DR nicht überlappen. Dazu sind die beiden Kammstrukturen 6a und 6b um 180° um die Mittelachse MA des PTC-Thermistors 2 verdreht zueinander angeordnet.
Ein Abstand DAB der beiden Kontaktschichten 4a und 4b zueinander ist hier größer als die Dicke D_PTC des PTC-Thermistors 2. Dadurch ist der effektive Stromweg für Elektronen erhöht und die Kapazität des PTC-Heizelements 1 verringert. Die kapazitätsbedingte Strom- und dadurch auch Spannungsspitzen können demnach reduziert werden. Entsprechend kann auch die Dicke D_PTC des PTC-Thermistors 2 reduziert werden, ohne dass seine Nutzungseigenschaften sich merkbar ändern. Dieser Effekt kann insbesondere in dem Wertebereich des Gesamtquotienten Q zwischen 0,2 und 0,5 erzielt werden. Der Gesamtquotient Q gleich 0,3 ist hier lediglich beispielhaft gewählt.

Claims

PTC-Heizelement (1) für ein PTC-Heizmodul für ein Fahrzeug, - wobei das PTC-Heizelement (1) einen PTC-Thermistor (2) mit zwei Hauptflächen (3a, 3b) aufweist, die in eine Dickenrichtung (DR) des PTC-Thermistors (2) einander gegenüberliegend und zueinander beabstandet sind, - wobei das PTC-Heizelement (1) zwei elektrisch leitende Kontaktschichten (4a, 4b) aufweist, die jeweils auf die Hauptflächen (3a, 3b) des PTC-Thermistors (2) aufgetragen sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gesamtquotient (Q) zwischen einer gesamten geometrischen Fläche (F₄) der Kontaktschichten (4a, 4b) und einer gesamten geometrischen Fläche (F₃) der Hauptflächen (3a, 3b) wesentlich unter 1 und wesentlich oberhalb 0, insbesondere zwischen 0,05 und 0,85, liegt.
PTC-Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtquotient (Q) zwischen 0,1 und 0,8, bevorzugt zwischen 0,2 und 0,7, mehr bevorzugt zwischen 0,2 und 0,5, noch mehr bevorzugt zwischen 0,3 und 0,5 liegt.
PTC-Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Quotienten (Q_A, Q_B) zwischen geometrischen Flächen (F_4A, F_4B) der jeweiligen Kontaktschichten (4a, 4b) und geometrischen Flächen (F_3A, F_3B) der jeweiligen diesen zugeordneten Hauptflächen (3a, 3b) sich bei den beiden Kontaktschichten (4a, 4b) voneinander unterscheiden.
PTC-Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (D_AB) der beiden Kontaktschichten (4a, 4b) zueinander zumindest in einigen innenliegenden Bereichen (8) des PTC-Thermistors (2) größer als die Dicke (D_PTC) des PTC-Thermistors (2) ist.
PTC-Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kontaktschichten (4a, 4b) sich in Dickenrichtung (DR) des PTC-Thermistors (2) zumindest in einigen innenliegenden Bereichen (8) des PTC-Thermistors (2) nicht überlappen.
PTC-Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Kontaktschicht (4a, 4b) eine Kammstruktur (6a, 6b) aufweist, die mehrere voneinander beabstandete und parallel zueinander angeordnete Kontaktstreifen (7a, 7b) aufweist, die einseitig oder beidseitig zusammenhängen.
PTC-Heizelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, - dass die Kontaktstreifen (7a, 7b) der jeweiligen Kammstruktur (6a, 6b) in einem ungleichen Abstand zueinander angeordnet sind, und/oder - dass die Kontaktstreifen (7a, 7b) der jeweiligen Kammstruktur (6a, 6b) eine voneinander abweichende Breite und/oder Länge aufweisen, und/oder - dass eine Breite des jeweiligen Kontaktstreifens (7a, 7b) kleiner oder größer als sein Abstand zu wenigstens einem der benachbarten Kontaktstreifen (7a, 7b) ist.
PTC-Heizelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, - dass die beiden Kontaktschichten (4a, 4b) jeweils die Kammstruktur (6a, 6b) aufweisen, wobei die jeweiligen Kammstrukturen (6a, 6b) derart auf den Hauptflächen (3a, 3b) des PTC-Thermistors (2) aufgetragen sind, dass die jeweiligen Kontaktstreifen (7a, 7b) der beiden Kammstrukturen (6a, 6b) zueinander parallel sind, und - dass zumindest einigen Kontaktstreifen (7a) der einen Kammstruktur (6a) keine Kontaktstreifen (7b) der anderen Kammstruktur (6b) gegenüberliegen.
PTC-Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Kontaktschicht (4a, 4b) eine Schneckenstruktur aufweist.
PTC-Heizmodul für ein Fahrzeug mit wenigstens einem PTC-Heizelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die eine Kontaktschicht (4a) des jeweiligen PTC-Heizelements (1) mit einem Pluspol-Kontakt und die andere Kontaktschicht (4b) des jeweiligen PTC-Heizelements (2) mit einem Minuspol-Kontakt elektrisch leitend verbunden ist.